定向井钻井技术

　　定向井钻井技术作为一项新型实用技术，在钻井技术领域具有广泛的应用前景，该文将围绕以上内容，通过资料分析、建立实验装置等手段进行综合分析，从而能对该技术有一个清晰的认识。

　　1．定向井剖面设计

　　定向井的剖面设计工作，作业人员必须提供靶点水平位移和提供井口、及方位角与靶点的坐标位置，计算出方位角和水平位移。还要通过资料查找地理位置和井身结构等情况。

　　设计资料。设计人员应根据定向井不同的钻探情况对设计井的井身剖面类型、钻井液类型、完井方法等进行合理设计，以利于快完整洁、优质、快速钻井。同时，尽可能利用方位角的变化规律，统计出方位漂移率。还要根据层倾角度、岩性稳定性，PDC钻头具有方位的趋势，进行确定设计的角度。以此不断提高投资效益，达到作业要求。

　　设计原则。设计人员要根据不同的钻探目的对设计井的井身井身结构、剖面类型、完井方法等进行合理设计，以利于高效、优质、安全钻井这是定向井设计的目的，和设计最基本的原则。

　　靶点的层位选择合理；井身结构、井控措施等应满足要求；尽可能选择简单的剖面类型，以减小井眼轨迹控制和施工难度，加快钻井速度；是靶区半径要合乎操作要求。

　　根据地区的实钻资料，统计出方位漂移率。尽可能利用方位的自然漂移规律在使用牙轮钻头钻进时，方位角的变化往往有向右增加的趋势，因此要合乎右手漂移规律。层倾角小、岩性稳定时，钻头具有方位左漂的趋势，因此，要使用PDC钻头钻进的定向井，提前角要根据实际情况来确定。

　　2、定向井专用工具

　　定向井专用工具包括弯接头、非磁钻铤、井下马自达等主要工具。

　　弯接头：弯接头是定向钻井中定向造斜、扭方位的一种专用井下工具，它能使造斜钻具产生侧向力。目前，弯接头内通常安装循环套，壳体上划有弯曲方向的标线，用作单点或有线随钻侧斜仪确定工具面的方向。

　　通常使用固定角度型和可调角度弯接头。调角度弯接头根据调节方式和工作原理的不同可分为机械式、液压式、电动式等几种类型。它们可以通过地面控制把弯接头调到需要的角度进行连续进行定向、和扭方位降斜、增斜。通可可调弯接头可以使高井眼减少起钻次数、加快钻井速度、降低钻井成本。

　　非磁钻铤：主要由蒙乃尔钢、铬／镍钢、奥氏体钢，锰含量和铬铁铜合金组成。这是一种不易磁化的钻铤，它价格较低，但它对盐水钻井液的腐蚀较敏感。非磁钻铤间应用时，必须注意稳定器对罗盘的影响，这样可以降低对罗盘的影响，又可以节省价格昂贵的非磁钢材。

　　井下马达：井下动力钻具它分为涡轮钻具、容积式马达和电动钻具三大类。容积式马达具有下列优点：钻井眼尺寸与原井眼完全相同；井内有桥塞时，可以在开始造斜前将井底循环干净；空转转速与工作转速相差的幅度较小有利于钻头选型。其中螺杆钻具和迪那钻具最常用。

　　迪那钻具。可分为Mach1型单头螺杆马达、Mach2型多头螺杆马达、Mach3型单头螺杆马达。它由纳维钻具由旁通阀、定子、转子、万向轴、轴承总成和传动轴组成

　　螺杆钻具。由万向轴（节）、旁通阀、马达（转子、定子）、和传动轴四部分组成。螺杆钻具的工作动力来自循环钻井液，在压力一定时，钻井液泵入钻具，进入马达的螺旋形空腔使转子转动，然后经万向轴传递到传动轴和钻头上。当无钻井液循环或低泵冲循环时，在弹簧的作用下，阀心处于上部位置，此时旁通孔开启，钻井液可灌入钻柱或自钻柱泄出，所有钻井液流经马达所作的功转换为机械能。

　　3、定向井钻进稳定器的应用

　　定向井主要指沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井。定向井分为普通定向井、大斜度井、径向水平丛式井等。目前，定向井其中的稳定器有螺旋式稳定器和滚子式稳定器两种，定向钻井中，目前最常用螺旋式稳定器。

　　稳斜钻具组合，可以减小钻头与稳定器之间，稳定器与稳定器之间的相对距离，增强下部钻具的刚性，以限制下部钻具受压变形，达到稳斜效果，同时，可以增加下部钻具组合的刚性达到稳定井斜和方位的目的。

　　通过改变稳定器下部钻具组合中的位置，可以达到改变下部钻具组合的受力状态，改变达到控制井眼轨迹的目的。

　　稳定器出、入井口时，必段认真测量稳定器的外径，检查磨损情况和稳定器在钻具组合中的安放位置，一般情况下，稳定器的外径磨损不大干2毫米。通过修整井眼，可以使井眼曲率变化平缓、圆滑，有利于减少井下复杂情况。

　　4、定向井的水泥注入

　　目前，在我国进行定向井、水平井注水泥顶替模拟实验研究具有很重要的实际意义。在现有的油田钻井现场，我们对于如何提高定向井、水平井注水泥的顶替效率等方面，并没有完整的系统配套措施，原因是我们对于定向井、水平井等注水泥的顶替机理缺乏全面的认识和研究。因此，我们经过建立实验设备，综合分析研究，发现利用自行研制的水平井及定向井注水泥模拟实验装置能够有效在反映真实效果，所以，我们研制的“混浆密度拟连续测量法”测试顶替效率，配合观测，系统地研究了井斜角、雷诺数、密度差、因素对注水泥过程中顶替效率、效果的影响规律和评价分析。

　　在井斜角和偏心度相对稳定的情况下，水泥的密度差与相应的顶替排量之间，存在着相对稳定的配比，合理地搭配密度与雷诺数可以得到较好的顶替效果。具体地说，就是当井斜角度比较大时，密度差会随之增大，顶替的液体沿环外空低边进入的趋势越加明显，如果偏心度增加严重，顶替液会容易沿着环外空高边率先行进行顶替；而当井斜度角偏小时，随着偏心程度的增加，密度差增大的同时，有目的地减小雷诺数，会对于环空顶替有效果；雷诺数的相应增大同样会使顶替液趋于沿着高边率先顶替，所以，配比合理的密度差和雷诺数，将会使顶替效果更加明显。

　　当井斜角比较小或井眼相对垂直、层流注入水泥的时候，套管居中时大的正密度差有利于顶替效率的提高；而当油井套管在井内的中心出现偏移时，正密度差的增大，有利于克服偏心的影响，从而有利于顶替效率的进一步提高。所以当井斜角较大或水平时，套管居中小的密度差顶替效果会比较明显，密度差无论正与负，在顶替时都容易产生分层流动的现象；而当套管出现偏移中心时，正密度差会在重力的作用下和对顶替效率产生影响。

　　顶替液是沿着高边突进，还是低边突进取决于井斜角、密度差、偏心度以及雷诺数而起作用。一般而言，紊流注水泥顶替效果要优于层流注水泥；层流注水泥时随雷诺数的增加顶替效果逐渐变好。

　　井斜角对层流注水泥影响很大。当负密度差顶替时轻的顶替液越来越倾向于沿环空高边突进，水平井注水泥时通常发生明显的分层流动现象。随着井斜角的增大，正密度差顶替时重的顶替液越来越倾向于沿环空低边突进，水平井注水泥时甚至发生明显的分层流动现象；

　　采用“混浆密度拟连续测量法”可以有效地探索不同环境影响规律，这种方法的测试过程快速而且简单，采用这种方法时，我们建立的实验装置成本也比较低，特别是当正密度差进行顶替时，偏心度对于顶替过程的影响规律较复杂，顶替效果取决于井斜角、密度差、偏心度以及雷诺数的共同作用。当顶替流态为紊流时，套管居中时的顶替效果优于套管偏心时的顶替效果。当顶替流态为层流、且负密度差顶替时，套管居中时的顶替效果优于套管偏心时的顶替效果。

　　（作者单位：中国石油长城钻探工程有限公司钻井一公司）

　　王家强 文